岩石实验教学文案.ppt

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1、岩石实验 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 岩石的种类与组成岩石的种类与组成第三章第三章 岩石的力学性质岩石的力学性质第四章第四章 岩石岩石的的物理性质试验物理性质试验第五章第五章 岩石岩石的的力学性质试验力学性质试验第六章第六章 工程实例工程实例内容提要第一章 绪 论一、岩石力学的定义与分支学科一、岩石力学的定义与分支学科二、研究内容与研究方法二、研究内容与研究方法三、岩石力学的形成与发展三、岩石力学的形成与发展一

2、、岩石力学的定义与分支学科一、岩石力学的定义与分支学科1.定义 岩石力学(Rock Mechanics)是是力力学学的的一一个个分分支支学学科科，是是研研究究岩岩石石在在各各种种力力场场作作用用下下变变形形与与破破坏坏规规律律的的理理论论及及其其实实际际应用的科学应用的科学，是一门应用型基础学科。，是一门应用型基础学科。岩石力学(Rock Mechanics)国际岩石力学学会（ISRM）中国岩石力学与工程学会（CSRME）第一章 绪 论l工程岩石力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩

3、等)的变形和稳定性。l构造岩石力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。l破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。2.分支学科第一章 绪 论二、研究内容与研究方法1.1.研究内容研究内容 v以边坡为例以边坡为例第一章 绪 论边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等）岩块、结构面力学性质（室内试验：求变形、强度参数）应力条件（

4、建筑物作用力、天然应力、水压力、地震力等）地质模型建立（平、剖面图）岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）开挖后的重分布应力、大小力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理.）稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元.）综合评价工程设计要求工程设计处理方案或修改角施工安全系数稳定、合理不稳定、不合理工程地质研究方法试验法数学、力学分析法综合评价法 岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质 岩体中天然应力 岩体中重分布应力 稳定性计算与评价 工程处理与加固研究内容第一章 绪 论2.研究方法工程地质研究法工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特研究岩块和岩体的

5、地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料资料 试验法试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数物理力学参数 数学力学分析法数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据与稳定性，为设计和施工提供定量依据 综合分析法综合分析法 采用多种方法考虑各种因素采用多种方法考虑各种因素(包括工包括工程的、地质的及施工的等程的、地质的及施工的等)进行

6、综合分析和综合评价，进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论得出符合实际情况的正确结论 第一章 绪 论四、岩石力学的形成与发展1.1.形成历史形成历史n19511951年年，在在奥奥地地利利创创建建了了地地质质力力学学研研究究组组，并并形形成成了了独具一格的奥地利学派。独具一格的奥地利学派。n同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。n19561956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。n19571957年，第一本岩石力学专著出版。年，第一本岩石力学专著出版。n19591959年年，法法国国马马尔尔帕帕塞塞坝坝溃溃

7、决决，引引起起岩岩体体力力学学工工作作者者的关注和研究。的关注和研究。n1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。n19661966年年，第第一一届届国国际际岩岩石石力力学学大大会会在在葡葡萄萄牙牙的的里里斯斯本本召开。召开。第一章 绪 论2.发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水水-岩岩-应力耦

8、合作用及岩体工程稳定性问题应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。第一章 绪 论第二章 岩石的种类与组成一、岩石的种类二、岩石的组成 岩浆岩浆岩岩（火成岩）（火成岩）沉积岩沉积岩变质变质岩岩一、一、岩石的种类岩石的种类地核 上地幔(上地函)下地幔(下地函)地壳地球可分为三层。地核、地幔和地壳。地球的内部

9、结构地球的内部结构岩浆地球內部結构温度分布图二、二、岩石的组成岩石的组成石英、长石和云母都是自然界石英、长石和云母都是自然界的矿物的矿物;所有的岩石都是由一种所有的岩石都是由一种或几种矿物组成的或几种矿物组成的岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质变形特征变形特征变形特征变形特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征:指岩石在载荷作用下开始破坏时指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力的最大应力(强度极限强度极限)以及应力与破坏之以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。和破坏规律。变形特征变形

10、特征变形特征变形特征:指岩石在各种载荷作用下的变形指岩石在各种载荷作用下的变形规律规律(包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律性流动和破坏规律)。第三章 岩石的力学性质一、应力应变曲线一、应力应变曲线一、应力应变曲线一、应力应变曲线二、强度二、强度二、强度二、强度(简单应力简单应力简单应力简单应力)主要内容主要内容三、强度三、强度三、强度三、强度(复杂应力复杂应力复杂应力复杂应力)四、弹性四、弹性四、弹性四、弹性n n外力性质外力性质外力性质外力性质动载荷动载荷动载荷动载荷静载荷静载荷静载荷静载荷n n外力方式外力方式外力方式外力方式拉伸拉伸拉伸拉伸压

11、缩压缩压缩压缩剪切剪切剪切剪切n n应力状态应力状态应力状态应力状态单向单向单向单向双向双向双向双向三向三向三向三向岩石强度与外力有关岩石强度与外力有关应力应变曲线应力应变曲线BCBC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。塑性变形阶段。最高点最高点C C的应力称

12、为强度极限的应力称为强度极限C C(如为单轴如为单轴试验便称为单轴抗压强度试验便称为单轴抗压强度)CD段：曲线下降，是由于段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。石开始解体。CD段以脆性段以脆性形态为其特征。形态为其特征。点点B B：发生弹性到塑性行为过渡：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，点，称为屈服点，S S称为屈服称为屈服应力。应力。ABABABAB段：段：段：段：斜率为常数或接近常数，斜率为常数或接近常数，弹性变形阶段，弹性变形阶段，其斜率定义为其斜率定义为岩石的弹性模量岩石的弹性模量E EOAOAOA

13、OA段：段：段：段：曲线稍向上凹，内部裂隙逐渐被压密、曲线稍向上凹，内部裂隙逐渐被压密、压实过程压实过程二、简单应二、简单应力条件下岩力条件下岩石的强度石的强度岩岩石石的的强强度度抗抗压压强强度度抗拉抗拉强强度度抗抗压压强强度度抗弯曲抗弯曲强强度度通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验 岩石的强度岩石的强度岩石抗压缩强度岩石抗压缩强度 指岩石抵抗外力压缩的能指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。压缩强度试验来

14、获得。岩石抗拉伸强度岩石抗拉伸强度*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。实验要求测量方法间接抗拉伸强度试验直接抗拉伸强度试验破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。岩石的抗张强度可按下式计算：巴西劈裂实验复杂应力条件下的岩石强度复杂应力条件下的岩石强度复杂应力条件下的岩石强度复杂应力条件下的岩石强度常规三轴试验(a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）12=3(c)液压作用下的压扭试验1(b)三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）12 3(d)液压作用下的两面柱塞压缩试验12 31 P=2=33P=1=2（a）压缩试验）压缩试验（b）拉伸试验

15、）拉伸试验213Co库仑剪切强度曲线 三轴应力下岩石的强度和变形的特点三轴应力下岩石的强度和变形的特点 OAB库仑-莫尔强度理论 岩石的强度是随作用于破坏面岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面或剪切滑动面)的的垂直垂直(法向法向)压应力的增加而增大的。压应力的增加而增大的。三轴应力作用下岩石机械性质的变化三轴应力作用下岩石机械性质的变化两两两两方方方方面面面面显显显显著著著著变变变变化化化化一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。（）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（）围压对岩石强度的影响程度，并不

16、是在所有压力范围内都相同。（）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。岩石破碎前所呈现的塑性也越大。第四章 岩石物理性质试验岩石含水率试验岩石含水率试验岩石吸水性试验岩石吸水性试验岩石颗粒密度试验岩石颗粒密度试验岩石块体密度试验岩石块体密度试验岩石膨胀性试验岩石膨胀性试验岩石耐崩解性试验岩石耐崩解性试验岩石抗冻性试验岩石抗冻性试验岩石（体）声波测试试验岩石（体）声波测试试验岩石物理性质试验岩石物理性质试验n岩石含水率是岩石试件

17、在岩石含水率是岩石试件在105110度度,烘干至恒量时所失去水的质量与试件干烘干至恒量时所失去水的质量与试件干质量的比值，以百分数表示。质量的比值，以百分数表示。n影响岩石试件天然含水率因素很多。影响岩石试件天然含水率因素很多。n烘干标准对岩石试件天然含水率测定的烘干标准对岩石试件天然含水率测定的影响比较明显。关于试件的烘干标准，影响比较明显。关于试件的烘干标准，一种是时间控制，另一种是称量控制。一种是时间控制，另一种是称量控制。一一 岩石含水率试验岩石含水率试验二二 岩石吸水性试验岩石吸水性试验n岩石吸水性采用自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指岩石吸水性采用自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数

18、等指标表示。标表示。n岩石吸水性对岩石的风化程度比较敏感，在国外常作为风岩石吸水性对岩石的风化程度比较敏感，在国外常作为风化指标。化指标。n岩石吸水性试验每组试件块数不少于岩石吸水性试验每组试件块数不少于3块。自然吸水率采块。自然吸水率采用在大气压力和室温条件下自然吸水法测定，试件全部浸用在大气压力和室温条件下自然吸水法测定，试件全部浸入在水中自由吸水入在水中自由吸水48h。岩石饱和吸水率采用煮沸或真空。岩石饱和吸水率采用煮沸或真空抽气法测定，煮沸法煮沸时间不少于抽气法测定，煮沸法煮沸时间不少于6h。n岩石吸水性试验的吸水时间对其成果的影响不能忽视，从岩石吸水性试验的吸水时间对其成果的影响不能

19、忽视，从大量的试验资料分析，采用自由吸水进行吸水性试验时，大量的试验资料分析，采用自由吸水进行吸水性试验时，当浸水时间为当浸水时间为24h，岩石试块平均吸水量一般可达到绝对，岩石试块平均吸水量一般可达到绝对吸水量的吸水量的85%三三 岩石颗粒密度试验岩石颗粒密度试验n岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，采用岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，采用比重瓶法或水中称量法测定比重瓶法或水中称量法测定。n比重瓶法测定岩石的颗粒密度，又分为土工试验方法、岩比重瓶法测定岩石的颗粒密度，又分为土工试验方法、岩石试验方法和建筑材料试验方法三种。石试验方法和建筑材料试验方法三种。试验方法试验

20、方法样品样品影响因素影响因素四四 岩石块体密度试验岩石块体密度试验n岩石的块体密度是指单位体积的岩石质量，是岩石试件的岩石的块体密度是指单位体积的岩石质量，是岩石试件的质量与其体积之比。质量与其体积之比。n岩石的块体密度试验量积法适用于能制备成规则试件的岩岩石的块体密度试验量积法适用于能制备成规则试件的岩石；水中称量法适用于除遇水不崩解、不溶解和不干缩湿石；水中称量法适用于除遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的其他各类岩石；密封法适用于不能用量积法或直接在胀的其他各类岩石；密封法适用于不能用量积法或直接在水中称量进行试验的岩石。水中称量进行试验的岩石。五五 岩石膨胀性试验岩石膨胀性试验n岩石膨胀特

21、性的指标有岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率岩石膨胀特性的指标有岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率和体积不变条件下膨胀压力。和体积不变条件下膨胀压力。n测定岩石膨胀压力的试验方法有平衡测定岩石膨胀压力的试验方法有平衡-加压法、膨胀加压法、膨胀-加压加压恢复法和加压恢复法和加压-膨胀法三种试验方法。膨胀法三种试验方法。n岩石试件的含水率对测试成果的影响尤为明显，因为具有岩石试件的含水率对测试成果的影响尤为明显，因为具有膨胀特性的岩石，吸水膨胀。试验前试件的含水率应尽量膨胀特性的岩石，吸水膨胀。试验前试件的含水率应尽量接近天然含水状态，实行干法加工。接近天然含水状态，实行干法加工。n岩石膨胀特性稳定时间：

22、岩石膨胀特性稳定时间：膨胀试验时间一般在膨胀试验时间一般在48h以内，膨胀压力试验则往往超过以内，膨胀压力试验则往往超过48h。六六 岩石耐崩解性试验岩石耐崩解性试验n岩石的耐崩解性是指岩石在干湿交替作用下抵抗崩解的能岩石的耐崩解性是指岩石在干湿交替作用下抵抗崩解的能力。力。n岩石耐崩解性试验适用于黏土类岩石和风化岩石。岩石耐崩解性试验适用于黏土类岩石和风化岩石。n胶结较好的岩石，并不是一次干燥浸水循环便能达到浸胶结较好的岩石，并不是一次干燥浸水循环便能达到浸水崩解的，而往往需要水崩解的，而往往需要2次以上的循环才能满足，所以规次以上的循环才能满足，所以规定岩石的耐崩解性由第二次循环的崩解指数

23、来表示。烘干定岩石的耐崩解性由第二次循环的崩解指数来表示。烘干时间规定不少于时间规定不少于24hn采用烘干的岩块作为耐崩解性试验的标准试件是合适的。采用烘干的岩块作为耐崩解性试验的标准试件是合适的。试验方法试验方法影响因素影响因素七七 岩石抗冻性试验岩石抗冻性试验n岩石抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，以冻融质量损岩石抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，以冻融质量损失率和冻融系数表示，通常采用直接冻融法测定。失率和冻融系数表示，通常采用直接冻融法测定。n冻融循环次数根据工程需要确定，一般为冻融循环次数根据工程需要确定，一般为20次，严寒地区次，严寒地区不应少于不应少于25次。次。n冻融试验方法冻

24、融试验方法n当岩石的吸水率小于当岩石的吸水率小于0.05%时，不必进行冻融试验。时，不必进行冻融试验。n岩石冻融系数的一个指标为强度损失系数。岩石冻融系数的一个指标为强度损失系数。n岩石冻融系数另一指标为质量损失系数。岩石冻融系数另一指标为质量损失系数。影响因素影响因素八八 岩石（体）声波测试试验岩石（体）声波测试试验岩石声波测试岩石声波测试样品样品试验方法试验方法岩体声波测试岩体声波测试钻孔声波测试钻孔声波测试岩体表面声波测试岩体表面声波测试注意事项注意事项耦合介质耦合介质样品长度样品长度换能器换能器第五章 岩石的力学性质试验一、岩石单轴抗压强度一、岩石单轴抗压强度二、岩石单轴抗拉强度二、岩

25、石单轴抗拉强度三、岩石抗剪强度三、岩石抗剪强度四、岩石三轴抗压强度四、岩石三轴抗压强度五、岩石压缩变形试验五、岩石压缩变形试验n1）定义）定义 岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度，或称为的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度，或称为非限制性抗压强度。非限制性抗压强度。n2）计算公式：）计算公式：n c=P/A一、岩石的单轴抗压强度一、岩石的单轴抗压强度3 3）岩石的单轴抗压强度试验的）岩石的单轴抗压强度试验的）岩石的单轴抗压强度试验的）岩石的单轴抗压强度试验的4 4种破坏形式：种破坏形式：种破坏形式：种破坏形式：1

26、.X1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式2.2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏3.3.塑性流动变形，线应变塑性流动变形，线应变塑性流动变形，线应变塑性流动变形，线应变10104.4.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应

27、的结果。这种类型的破生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的n4)实验方法实验方法na.试件标准试件标准n n立方体立方体立方体立方体505050mm505050mm或或或或 707070mm 707070mmn n圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体圆柱体，但使用最广泛的是

28、圆柱体。圆柱体直径直径直径直径D D一般不小于一般不小于一般不小于一般不小于50mm50mm。L/D=2.53.0L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会（国际岩石力学委员会（国际岩石力学委员会（国际岩石力学委员会ISRMISRM建议的建议的建议的建议的 尺寸）尺寸）尺寸）尺寸）n n要求：两端不平度要求：两端不平度要求：两端不平度要求：两端不平度0.5mm0.5mm；尺寸误差；尺寸误差；尺寸误差；尺寸误差0.3mm0.3mm；两端面垂直于；两端面垂直于；两端面垂直于；两端面垂直于轴线误轴线误差差差差0.250.25度。度。度。度。n n加加加加载载速率：速率：速率：速率：0.50.50.8M

29、Pa/s0.8MPa/snb.非标准非标准试件的对试验结果的影响及其修正试件的对试验结果的影响及其修正nc.压缩实验设备示意图压缩实验设备示意图(500t压力机压力机)nd.端部效应及其消除方法端部效应及其消除方法n端部效应端部效应:n n消除方法消除方法消除方法消除方法:润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件加长试件加长试件加长试件 n n5)水对单轴抗压强度的影响软化系数水对单轴抗压强度的影响软化系数n n岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度岩石的软化系数：饱和岩石

30、抗压强度b b与与干燥岩石干燥岩石抗压强度抗压强度c c之比之比 =b b/c c1n n1）定义：）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度单轴抗拉强度n n试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类分直接试验和间接试验两类二、岩石单轴抗拉强度二、岩石单轴抗拉强度n2)直接拉伸试验加载和试件示意图直接拉伸试验加载和试件示意图n计算公式计算公式n破坏时的最大轴向拉伸

31、荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)，即：t=Pt/An2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）直接拉伸试验加载和试件示意图（续）n n3)间接拉伸试验加载和试件示意图间接拉伸试验加载和试件示意图n n巴西试验法（巴西试验法（巴西试验法（巴西试验法（Brazilian testBrazilian test），称劈裂试验法），称劈裂试验法），称劈裂试验法），称劈裂试验法n na.a.试件试件试件试件:为一岩石圆盘。实际上荷载是沿着一条弧为一岩石圆盘。实际上荷载是沿着一条弧为一岩石圆盘。实际上荷载是沿着一条弧为一岩石圆盘。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的线加上去的，但孤高不

32、能超过圆盘直径的线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/201/20n nb.b.应力分布：应力分布：应力分布：应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径yyyy的的的的应力分布和应力分布和应力分布和应力分布和xxxx方向均为压应力。而离开边缘后，沿方向均为压应力。而离开边缘后，沿方向均为压应力。而离开边缘后，沿方向均为压应力。而离开边缘后，沿yyyy方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均方向仍为压应力

33、，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；匀化；匀化；匀化；xxxx方向变成拉应力。并在沿方向变成拉应力。并在沿方向变成拉应力。并在沿方向变成拉应力。并在沿yyyy的很长一段距离的很长一段距离的很长一段距离的很长一段距离上呈均匀分布状态上呈均匀分布状态上呈均匀分布状态上呈均匀分布状态n nc.c.破坏原因：破坏原因：破坏原因：破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于低很多，但

34、由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。比抗压强度要低得多的事实。比抗压强度

35、要低得多的事实。比抗压强度要低得多的事实。nd.计算公式：计算公式：n t=x=-2P/dtn y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/tn圆盘中心处：n t=x=-2P/dtn y=6P/dtn n1)1)定义：定义：定义：定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度n n剪切强度试验分为剪切强度试验分为剪切强度试验分为剪切强度试验分为非限制性非限制性非

36、限制性非限制性剪切强度试验和剪切强度试验和剪切强度试验和剪切强度试验和限制限制限制限制性性性性剪切强度试验二类剪切强度试验二类剪切强度试验二类剪切强度试验二类n n非限制性剪切试验在剪切面上非限制性剪切试验在剪切面上非限制性剪切试验在剪切面上非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力只有剪应力只有剪应力只有剪应力存在，存在，存在，存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了了了了存在剪应力外，还存在正应力存在剪应力外，还存在正应力存在剪应力外，还存在正应力存在剪应力外，

37、还存在正应力三、岩石抗剪强度三、岩石抗剪强度n2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验，b.冲击剪切试验,c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，分别见图。n3）非限制性剪切强度记为）非限制性剪切强度记为So计算公式：计算公式：n（a）单面剪切试验）单面剪切试验 So=Fc/An（b）冲击剪切试验）冲击剪切试验 So=Fc/2ra n（c）双面剪切试验）双面剪切试验 So=Fc/2An（d）扭转剪切试验）扭转剪切试验 So=16M c/D3 式中：式中：Mc试件被剪断前达到的最大扭矩试件被剪断前达到的最大扭矩（Nm）n D试件直径（试件直径（m）n4）四种典型的限制性剪切强度试验）四种

38、典型的限制性剪切强度试验na.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）nb.立方体试件单面剪试验立方体试件单面剪试验nc.试件端部受压双面剪试验试件端部受压双面剪试验nd.角模压剪试验（变角剪切试验）角模压剪试验（变角剪切试验）n5)Hoek直剪仪试验装置直剪仪试验装置n6）角模压剪试验及受力分析示意图）角模压剪试验及受力分析示意图n在压力在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力的剪力Psin/A和垂直剪切面的正应力和垂直剪切面的正应力Pcos/A，如图所示，如图所示n7）限制性剪切强度试验结果及其分析限制性剪切强度试验结果

39、及其分析n n试验结果试验结果试验结果试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大承受的剪应力也越大承受的剪应力也越大承受的剪应力也越大n n原因：原因：原因：原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大力越大，摩擦力也越大力越大，摩擦力也越大力越大，摩擦力也越大n n将破坏时的剪应力和正应力标注到

40、将破坏时的剪应力和正应力标注到将破坏时的剪应力和正应力标注到将破坏时的剪应力和正应力标注到-应力平面上就是一应力平面上就是一应力平面上就是一应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就接起来就接起来就接起来就获得了莫尔强度包络线获得了莫尔强度包络线获得了莫尔强度包络线获得了莫尔强度包络线，如图所示，如图所示，如图所示，如图所示n n残余强度：残余强度：残余强度：残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，当剪切

41、面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度破坏面的残余强度破坏面的残余强度破坏面的残余强度n n正应力越大，残余

42、强度越高，正应力越大，残余强度越高，正应力越大，残余强度越高，正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应如图所示。所以只要有正应如图所示。所以只要有正应如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力n n1)1)定义：定义：定义：定义：岩石在三向压缩荷载作岩石在三向压缩荷载作岩石在三向压缩荷载作岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最用下，达到破坏时所能承受的最用下，达到破坏时所能承受的最用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压

43、强大压应力称为岩石的三轴抗压强大压应力称为岩石的三轴抗压强大压应力称为岩石的三轴抗压强度度度度n n与单轴压缩试验相比，试件除受与单轴压缩试验相比，试件除受与单轴压缩试验相比，试件除受与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧轴向压力外，还受侧向压力。侧轴向压力外，还受侧向压力。侧轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因向压力限制试件的横向变形，因向压力限制试件的横向变形，因向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是而三轴试验是而三轴试验是而三轴试验是限制限制限制限制性抗压强度试性抗压强度试性抗压强度试性抗压强度试验验验验四、岩石三轴抗压强度四、岩石三轴抗压强度n2

44、)实验加载方式实验加载方式：n na.a.真三轴加载真三轴加载真三轴加载真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示试件为立方体，加载方式如图所示试件为立方体，加载方式如图所示试件为立方体，加载方式如图所示n n应力状态：应力状态：应力状态：应力状态：1 12 2 3 3n n这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的板所引起的板所引起的板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响摩擦力，对试验结果有很大影响摩擦力，对试验结果有很大影响

45、摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意，因而实用意，因而实用意，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验义不大。故极少有人做这样的三轴试验义不大。故极少有人做这样的三轴试验义不大。故极少有人做这样的三轴试验n nb.b.假三轴试验假三轴试验假三轴试验假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径，试件为圆柱体，试件直径，试件为圆柱体，试件直径，试件为圆柱体，试件直径25150mm25150mm，长度与直径之比为，长度与直径之比为，长度与直径之比为，长度与直径之比为2 2：1 1或或或或3 3：1 1。加载方式如图所示，。加载方式如图所示，。加载方式如图所示，。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与

46、单轴压缩试验时相同轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同n n但由于有了侧向压力，其加载上时的但由于有了侧向压力，其加载上时的但由于有了侧向压力，其加载上时的但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载端部效应比单轴加载端部效应比单轴加载端部效应比单轴加载时要轻微得多时要轻微得多时要轻微得多时要轻微得多n n应力状态：应力状态：应力状态：应力状态：1 12 2=3 3n三轴压缩试验加载示意图三轴压缩试验加载示意图n真三轴n12 3n假三轴n12=3n3)假三轴试验装置假三轴试验装置n由于试件侧表面已被加压油缸的由

47、于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。可以均匀施加到试件中。n其试验装置示意图如下其试验装置示意图如下n4)第一个经典三轴试验第一个经典三轴试验n na.a.试验者和时间：意大利人冯试验者和时间：意大利人冯试验者和时间：意大利人冯试验者和时间：意大利人冯 卡门卡门卡门卡门(VonKarman)(VonKarman)于于于于19111911年完成的年完成的年完成的年完成的n nb.b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石试验岩石：白

48、色圆柱体大理石试件，该大理石试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的具有很细的颗粒并且是非常均质的具有很细的颗粒并且是非常均质的具有很细的颗粒并且是非常均质的n nc.c.试验发现：试验发现：试验发现：试验发现：n n在围压为零或较低时，大理石试件以在围压为零或较低时，大理石试件以在围压为零或较低时，大理石试件以在围压为零或较低时，大理石试件以脆性脆性脆性脆性方式方式方式方式破坏，沿破坏，沿破坏，沿破坏，沿一组倾斜一组倾斜一组倾斜一组倾斜的裂隙破坏的裂隙破坏的裂隙破坏的裂隙破坏n n随着围压的增加，试件的随着围压的增加，试件的随着围压的增加，试件的随着围压的增加，

49、试件的延性延性延性延性变形和变形和变形和变形和强度强度强度强度都不都不都不都不断增加，直至出现完全延性或断增加，直至出现完全延性或断增加，直至出现完全延性或断增加，直至出现完全延性或塑性流动塑性流动塑性流动塑性流动变形，并变形，并变形，并变形，并伴随伴随伴随伴随工作硬化工作硬化工作硬化工作硬化，试件也变成，试件也变成，试件也变成，试件也变成粗腰桶形粗腰桶形粗腰桶形粗腰桶形的的的的n n在试验开始阶段，试件体积减小，当达到在试验开始阶段，试件体积减小，当达到在试验开始阶段，试件体积减小，当达到在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压抗压抗压抗压强度一半时，出现强度一半时，出现强度一半时，出现强度

50、一半时，出现扩容扩容扩容扩容，泊松比迅速增大泊松比迅速增大泊松比迅速增大泊松比迅速增大n5)三轴试验与莫尔强度包络线三轴试验与莫尔强度包络线n na.a.三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强